弦理论之争3册-pdf,txt,mobi,kindle,epub电子版书免费下载

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《宇宙的琴弦》

《宇宙的结构》

《物理学的困惑》

弦理论的诞生伴随着时代的契合和要求,它符合了科学家创造出的一切理论和未知的想象。然而在20世纪90年代早期,弦理论陷入了理论困境。几十年来,理论家们一直希望相信,构成现实的基本构件是微小的、振动着的弦,因为它能够解释许多我们未知的存在。这是一个潜在的革命性的想法,能够把所有的自然力和物质的所有构件结合成一个单一的、和谐的画面。

然而,令人为难的是,弦理论有五个独立的候选者,每一个看起来都与其他的截然不同。到底哪一个是正确的?

在谈到弦理论的类别之前,我们必须对弦理论有个初步的概念。弦论的一个基本观点是,自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子,而是很小很小的线状的“弦”,这些可以是有端点的“开弦”,也可以是圈状的“闭弦”。弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子,能量与物质是可以转化的,故弦理论并非证明物质不存在。

这五种不同的弦理论有一些共同点。首先,它们都涉及维度。它们也都要求我们的宇宙有10个维度:通常的3个空间维度,1个时间维度,还有6个更紧凑的维度,它们很小,因此在亚微观尺度上卷曲在一起。

在所有的理论中,弦振动的方式极大地丰富了我们的物质世界,从自然的力量到物质的构成,再到物理常数本身。但当我们一旦涉及到物理理论时,细节就变得尤为重要,而且五种相互竞争的弦模型在细节上有所不同。一些理论只有闭合的弦环,而另一些理论允许开放的、摆动的弦。一些理论只允许振动沿弦的一个方向传播,而另一些则允许两个方向都传播。有些理论是其他理论的结合。

作为“物理的终极理论”而提议的理论,M理论希望能藉由单一个理论来解释所有物质与能源的本质与交互关系。然而最终它能否统一弦理论,这一切还只是未知!

试读

奇异的微观世界

穿过太阳系,回到地球,乔治和格蕾茜累极了。他们来到一家量子酒吧,想好好轻松一下,走出太空的影子。乔治要了他们常喝的饮料——他自己喝加冰块儿的木瓜汁,格蕾茜喜欢伏特加汽水。然后,乔治点燃一支过滤嘴雪茄,仰靠在椅子上,双手抱着头。他正要好好吸一口,才惊奇地发现雪茄不见了,从他的牙缝里溜走了。大概是从嘴里滑下来了,他这么想,然后坐起身,看它有没有在衬衫或裤子上烧个洞。他什么也没看见,雪茄不在前头。格蕾茜很奇怪,不知他在找什么。她看见那雪茄正在乔治椅子背后的柜台上。“怪了,”乔治说,“它怎么会跑到那儿去?从我脑袋里穿过去的?——可我的舌头一点儿没烧着,头上也没长什么洞啊!”格蕾茜给他检查了一下,舌头没有问题,脑袋也很正常。这时候,饮料来了。两人耸耸肩,一生经过的怪事儿够多了,今天又遇着一件。可是,酒吧里的怪事情还多着呢。

乔治看着他的木瓜汁,冰块在不停地翻滚,像碰碰车似的在杯子里撞来撞去。这回,不是他一个人碰着稀奇了。格蕾茜端着只有乔治一半大的杯子,也看见冰块在里头碰撞,而且更加疯狂。他们分不清单独的一块冰,只见它们混乱地撞在一堆。不过,这还算不得什么,更奇怪的事情在后头。乔治和格蕾茜瞪大了眼睛看着她的杯子,看到一块冰穿透杯子落在地上。他们抓过杯子,没有发现什么不对的地方。看来,冰块没有打破杯子就穿过去了。“这一定是太空旅行后的错觉。”乔治说。尽管冰块像疯了似的,但他们还是一口气把饮料喝完,回家休息了。他们匆匆离开酒吧时,竟没发现他们走过的是一道画在墙上的假门。而老顾客们已经习惯了穿墙进出,所以也没在意乔治和格蕾茜突然消失了。

百年前,正当康拉德和弗洛伊德为人类心灵带来光明时,德国物理学家普朗克(Max Planck)也向量子力学投来第一缕阳光。根据量子力学的基本概念,乔治和格蕾茜的酒吧经历,从微观的尺度看,并不需要归结到什么神秘的力量。这些陌生而奇异的事情,正是我们的宇宙在极端微小的尺度上实际发生着的。

量子框架

量子力学是我们认识宇宙微观性质的概念框架。在高速运动或大质量的情况下,狭义相对论和广义相对论曾极大地改变了我们的世界观;同样,当我们考察原子或亚原子的世界时,量子力学将揭示也许更惊人的微观特性。1965年,量子力学最伟大的实践者之一的费恩曼(Richard Feynman)写道:

有个时候报上说只有12个人懂得相对论,我不信真有这种事情。不过也许有那么一个时候,只有1个人懂那个理论,因为在文章发表以前他是唯一掌握它的人;可读过他的文章后,就会有许多人以这样那样的方式懂得相对论了,当然不止12个人。但在另一方面,我想我可以蛮有把握地说,没人懂得量子力学。[18]

费恩曼的观点是在30多年前讲的,但在今天仍然有意义。他的意思是,尽管狭义和广义相对论极大地改变了我们从前认识世界的方式,但是,假如我们完全接受理论的基本原理,那么关于空间和时间的那些陌生稀奇的东西就是自然的逻辑结果。如果你能多花些工夫来思考我们在前两章对爱因斯坦理论的描述,你将(哪怕只是那么一会儿)发现我们做的那些结论都是必然的。量子力学就不同了。1928年左右,量子力学的许多数学公式和法则就已经确立了,而且从那时起,它就做出了科学史上最精确和成功的数字预言。但是,从真正意义说,运用量子力学的人不过是跟着理论的“先人们”立下的法则和公式按部就班地去计算。并不真的懂得为什么能那么做,那么做意味着什么。与相对论不同,几乎没人能与量子力学“心灵相通”。

这些说明了什么呢?是不是宇宙在微观层次的活动方式太模糊、太离奇了?难道人类世世代代从寻常尺度的现象中发展起来的思想不能完全把握“到底发生了什么”吗?或者,也许物理学家不过是因为历史的巧合建立了量子力学那么笨拙的形式,尽管计算结果是对的,却令实在的本性更加模糊了?谁也不知道。也许在将来的某一天,某个聪明人能找到一种新体系,可以完全回答量子力学里的一切“什么”和“为什么”。当然,这也是说不定的。我们能肯定的只有一件事情,那就是,量子力学绝对地不容争辩地向我们证明了,我们熟悉的寻常世界的许多基本概念,在微观领域不再有任何意义。结果,我们必须极大地改变我们的语言和逻辑,以认识和说明原子和亚原子尺度的宇宙。

在接下来的几节,我们将建立这种新语言的基础,讲述它所带来的一些惊人的奇迹。如果你跟着我们的思路看到的还是一个古怪甚至可笑的量子力学,请你记住两件事情。第一,量子力学除了在数学上是和谐的,我们相信它的唯一理由是它做出的许多预言都得到了异常精确的证实。如果有人能说出一大堆你小时候的小秘密,你还能不相信他是你走失多年的兄弟吗?第二,许多人对量子力学都有你那样的感觉,历史上一些最伟大的物理学家也多少抱着这样的观点。爱因斯坦是完全拒绝量子力学的,甚至玻尔(Niels Bohr)这样一位量子论的核心人物和最有力的倡导者也曾经说过,谁如果在思考量子力学时不曾有过迷惑,他就没有真正懂得它。